Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время социально-экономическая политика России направлена на развитие регионов Дальнего Востока и Сибири, принято решение о создании зоны опережающего развития в ДФО. Развитие регионов тесно связано с развитием энергетики и гидротехнического строительства, для обеспечения населения дешевой электроэнергией и водой, для питьевого и водохозяйственного водоснабжения.
Однако сложные климатические условия этих регионов накладывают ограничения на возведение и эксплуатацию гидротехнических объектов. Низкие абсолютные температуры и вечная мерзлота в основании усложняют производство работ, эксплуатацию сооружения и в ряде случаев ведут к нарушениям проектной работы сооружений. В качестве примеров можно привести плотины Курейской и Колымской ГЭС, на которых произошли аварийные ситуации в результате изменения температурно-фильтрационного режима. По оценкам специалистов около 70% грунтовых низконапорных плотин III-IV классов, возведённых в суровых климатических условиях, получают повреждения в первые три года эксплуатации из-за нарушения температурно-фильтрационного режима. Экономический ущерб от этого исчисляется миллиардами рублей.
В большинстве случаев инженерно-геологическое строение в зоне возведения сооружения не однородно и состоит из напластований мерзлых и талых слоев. Поэтому для определения точной фильтрационной картины в основании ГТС часто необходимо решение пространственной задачи. В ряде случаев отепляющее воздействие в направлении движения фильтрационного потока приводит к оттаиванию мёрзлых пород в основании объектов, что ведёт к увеличению фильтрационной проницаемости, потерь воды из водохранилища, снижению несущей способности мёрзлых пород. Могут также появляться локальные зоны выноса грунтов. Поэтому чрезвычайно важной задачей при проектировании грунтовых гидротехнических сооружений в условиях распространения вечной мерзлоты является достоверный прогноз температурно-фильтрационного режима системы «плотина-основание».
Отдельно стоят задачи по определение температурно-фильтрационного режима плотин с мерзлотной завесой. Данные задачи являются наиболее сложными для получения решений, так как требуют учёта большого числа постоянно изме-
няющихся во времени факторов, будь то особенности климата района, или температура хладагента и т.д.
Поэтому для объектов расположенных в зоне распространения вечномерз-лых пород актуально решение совместной температурно-фильтрационной задачи с учётом явлений тепломассопереноса и фазовых переходов, результаты которой необходимо учитывать при их проектировании, строительстве и эксплуатации.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам расчётов фильтрационного, температурного и совместного температурно-фильтрационного режимов грунтовых плотин и их оснований посвящено множество научных исследований, как в России, так и за рубежом. В последние годы для решения подобных задач широко используется математическое моделирование. Однако большинство программных комплексов, в том числе и промышленных, выполняют решения задач фильтрации или температурных задач без учета совместной работы этих двух процессов. Кроме того до конца не ясна степень влияния на формирование температурно-фильтрационного режима фазовых переходов жидкости в различных грунтах. Поэтому вполне очевидна необходимость дальнейших научных исследований в этом направлении, включая совершенствование методики расчетов.
Целью диссертационной работы является усовершенствование расчетных методов прогнозирования температурно-фильтрационного режима грунтовых плотин и их оснований в условиях криолитозоны с учетом тепломассопереноса и фазовых переходов жидкости. И на этой основе - анализ влияния различных факторов на формирование температурно-фильтрационного режима системы «грунтовая плотина-основание».
Основные задачи исследования:
усовершенствование методики для решения пространственных совместных температурно-фильтрационных задач с учётом фазовых переходов;
разработка алгоритмов и реализация усовершенствованной методики расчетов температурно-фильтрационного режима грунтовых плоти и их оснований, разработка программного комплекса;
оценка адекватности результатов, получаемых с использованием усовершенствованной методики;
изучение явления фазовых переходов жидкости на температурно-фильтрационный режим системы «плотина-основание» применительно к разным грунтам и условиям;
проведение анализа влияния различных факторов на формирование темпе-ратурно-фильтрационного режима системы «грунтовая плотина - основание»;
создание имитационных пространственных математических моделей темпе-ратурно-фильтрационных режимов гидротехнических объектов в суровых климатических условиях;
разработка рекомендаций для создания благоприятного температурно-фильтрационного режима рассмотренных грунтовых плотин.
Научная новизна данной работы заключается в следующем:
усовершенствована методика расчёта температурно-фильтрационного режима системы «грунтовая плотина-основание» в пространственной постановке с учётом тепломассопереноса и фазовых переходов жидкости;
выполнено математическое моделирование совместного температурно-фильтрационного режима, с учётом фазовых переходов и тепломассопереноса по направлению движения фильтрационного потока;
выполнен анализ влияния фазовых переходов и других факторов (в том числе конструктивных) на температурно-фильтрационный режим системы «грунтовая плотина-основание»;
получены уравнения регрессии от ключевых факторов варьирования в плотинах с мерзлотной завесой, которые возможно применять на этапе проектирования;
разработаны прогнозные пространственные математические модели температурно-фильтрационных режимов реальных гидротехнических объектов: Богучанской ГЭС, Колымской ГЭС, плотины Мирнинского ГОКа, плотины Анадырской ТЭЦ;
проведено сравнение полученных результатов численного моделирования гидротехнических объектов с результатами их натурных обследований. Теоретическая значимость работы. Предложена усовершенствованная
методика расчета температурно-фильтрационного режима системы «грунтовая плотина - основание», которая позволяет учесть явления тепломассопереноса и фазовых переходов жидкости. Проведена модернизация комплексов вычисли-
тельных программ «FILTR» и «FILTRTFAZ» на базе метода конечных элементов.
Практическая значимость работы. Созданы прогнозные имитационные математические модели для плотин и оснований Богучанской ГЭС, Колымской ГЭС, Анадырской ТЭЦ и хвостохранилища Мирнинского ГОКа (республика Саха (Якутия)). Полученные на основе факторного анализа зависимости могут использоваться для предварительной оценки температурно-фильтрационного режима грунтовых плотин и их оснований в суровых климатических условиях.
Методология и методы исследования. В основу научных исследований заложены основы теории теплопроводности и фильтрации, численные методы решения дифференциальных уравнений математической физики, теории планирования эксперимента.
В качестве основного расчётного метода для диссертационного исследования был принят метод конечных элементов в локально-вариационной постановке. Фильтрационные и температурные расчёты выполнялись в программах «FILTR» и «FILTRT», разработанные и апробированные на кафедре Гидротехнического строительства НИУ МГСУ. Для оценки влияния явлений фазовых превращений жидкости и тепломассопереноса были внесены изменения в программы «FILTR» и «FILTRT». Для сравнения чистых температурных и фильтрационных задач, без учёта совместности, был применён промышленный программный комплекс математического моделирования ANSYS APDL. Для анализа полученных результатов были применены аналитические методы обработки информации.
Положения, выносимые на защиту:
усовершенствованная методика расчёта температурно-фильтрационного режима системы «грунтовая плотина-основание» в пространственной постановке с учётом тепломассопереноса и фазовых переходов жидкости;
результаты численных исследований и анализ влияния учета фазовых переходов и некоторых факторов на температурно-фильтрационный режим системы «плотина-основание»;
пространственные математические прогнозные модели температурно-фильтрационных режимов реальных гидротехнических объектов; Достоверность результатов была подтверждена:
результатами решения ряда тестовых задач, имеющих точное аналитическое решение;
сравнением результатов, полученных по использованной методике с результатами из других ранее апробированных расчётных методов;
сравнением результатов математических исследований плотин Богучанской ГЭС, Колымской ГЭС, Анадырской ТЭЦ и хвостохранилища в Мирнинском улусе, республика Саха (Якутия), с результатами натурных наблюдений. Апробация работы: Результаты диссертационного исследования докладывались на следующих научно технических конференциях:
Международная научная конференция "Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании", Москва, 2013;2014;
«Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» ВНИИГ им. Веденеева. Санкт-Петербург, 2014;
"International Conference on Civil, Materials and Computing Engineering" -ICCMC 2014 China, Taiwan, 2014;
«Научно-техническая конференция», АО «Институт Гидропроект», Москва, 2016.
Личный вклад автора состоит:
в постановке целей и задач научно-исследовательской работы;
в усовершенствовании методики расчёта температурно-фильтрационного режима системы «грунтовая плотина-основание» в пространственной постановке с учётом тепломассопереноса и фазовых переходов жидкости;
в разработке алгоритма и реализация методики расчетов температурно-фильтрационного режима грунтовых плоти и их оснований, разработке программного комплекса;
в проведении численного эксперимента, анализе влияния фазовых переходов жидкости и различных факторов на формирование температурно-фильтрационного режима системы «грунтовая плотина - основание», формулировке рекомендаций по регулированию температурно-фильтрационного режима грунтовых плотин в суровых климатических условиях;
в создании имитационных пространственных математических моделей реальных объектов в суровых климатических условиях и определение их температурно-фильтрационного режима.
Структура и объём работы: Диссертационная работа включает в себя: введение, четыре главы, заключение и список литературы из 96 наименований. Объем диссертации составляет 156 страниц, в том числе 74 рисунка и 10 таблиц.